Conception de circuit SMPS : Quelle fréquence de commutation utiliser ?

Alimentation sur un commutateur réseau

Les concepteurs d'électronique de puissance et d'alimentations à découpage (SMPS) doivent savoir que travailler avec des fréquences de commutation plus élevées peut entraîner des pertes de commutation plus importantes dans votre système. Cependant, la tendance à miniaturiser les alimentations, et les composants qui les composent, oblige les concepteurs à travailler avec des fréquences de commutation plus élevées dans leurs conceptions de circuits SMPS. Cela crée alors des problèmes où les pertes de commutation et le bruit peuvent devenir sévères dans votre système.

Comme la plupart des décisions d'ingénierie, choisir la bonne fréquence de commutation représente un ensemble de compromis qui impliquent de réduire la taille des composants, de réduire les pertes et d'éliminer le bruit ; il peut être difficile ou impossible d'atteindre ces trois objectifs simultanément. Cependant, avec quelques décisions judicieuses de disposition de PCB, vous pouvez équilibrer le besoin de fréquences et de taux de transition plus élevés dans votre circuit SMPS avec le besoin de minimiser le bruit.

Optimisation de la fréquence, des pertes et du bruit dans un circuit SMPS

Pour qu'une alimentation à découpage (SMPS) fonctionne avec des composants plus petits, le signal de modulation de largeur d'impulsion (PWM) de commutation doit fonctionner à une fréquence plus élevée. L'inductance de sortie, le condensateur et la diode sont conçus pour laisser passer le courant continu à travers la sortie tout en filtrant le bruit de commutation, tout résidu d'ondulation provenant de la tension d'entrée (par exemple, d'un circuit redresseur) et toute harmonique parasite qui pourrait être présente à l'entrée. En d'autres termes, la sortie agit comme un filtre passe-bas (en réalité, il s'agit d'un filtre passe-bande RLC) dans une certaine bande passante. Nous pouvons définir une fréquence de coupure pour ce filtre (à ne pas confondre avec la fréquence de genou d'un signal numérique de commutation).

Pour empêcher le bruit de commutation PWM de se propager à travers la sortie, la fréquence de commutation PWM doit être supérieure à la fréquence de coupure du circuit. Que vous travailliez avec une topologie abaisseuse (buck) ou élévatrice (boost) dans votre circuit SMPS, la fréquence de coupure de la sortie sera inversement proportionnelle à la capacité de sortie et à l'inductance. En d'autres termes, vous pouvez utiliser des composants plus petits dans votre circuit SMPS si vous utilisez une fréquence de commutation PWM suffisamment élevée.

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Schéma du circuit SMPS buck-boost

Il est généralement admis que la fréquence de commutation du signal PWM dans votre circuit SMPS sera le principal déterminant des pertes, qui sont ensuite converties en chaleur. Ce problème lié à l'utilisation d'une fréquence plus élevée est correct, mais la fréquence n'est pas le seul paramètre qui détermine les pertes dans le MOSFET. En réalité, avec les MOSFET de puissance utilisés dans les circuits SMPS, le taux de variation des bords est un déterminant important des pertes thermiques dans le circuit SMPS.

Aucun élément de circuit n'est idéal, mais nous avons tendance à les traiter comme tels lorsque cela n'est pas approprié. Il en va de même pour le MOSFET mentionné ci-dessus. Lorsque le signal PWM tombe à 0 V, le MOSFET peut ne pas se désactiver complètement et peut continuer à conduire lorsque le taux de variation des bords est trop lent. Si vous augmentez le taux de variation des bords du signal PWM, le MOSFET peut être complètement cyclé et il conduira moins en état OFF. Cela réduit réellement la perte de puissance, même lorsque la fréquence de commutation est réglée sur une valeur plus élevée.

La combinaison d'une fréquence PWM plus élevée et d'un taux de montée PWM plus rapide permet d'utiliser des composants plus petits dans le circuit SMPS. Étant donné que les pertes de puissance (c'est-à-dire, la dissipation de chaleur) sont plus faibles, un dissipateur thermique plus petit peut être utilisé. Cependant, le signal PWM de fréquence plus élevée rayonne fortement, et le taux de montée plus rapide conduit à une réponse transitoire dans le circuit. Ce comportement est entièrement lié à la capacité parasite et à l'inductance au niveau du boîtier MOSFET et de l'agencement du circuit imprimé. Vous devrez vous assurer que votre circuit SMPS est agencé de manière à minimiser l'inductance parasite.

Réduisez les pics de bruit SMPS avec des choix d'agencement intelligents

L'inductance parasite dans votre circuit SMPS (qui inclut le PDN en aval) déterminera la taille du pic de tension dans le circuit SMPS. La capacité parasite contribue également aux pics de tension/courant dans le circuit SMPS, mais cela ne domine pas tant que vous travaillez à des niveaux de kV. Ce pic de tension particulier, dû à l'inductance parasite, occupe des boucles de circuit dans votre agencement SMPS, ce qui peut stresser les composants jusqu'au point de défaillance.

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Si vous utilisez un taux de montée plus rapide, vous induirez un courant transitoire plus important dans votre circuit d'alimentation à découpage (SMPS). Même une trace relativement courte (quelques cm) sur du FR4 d'épaisseur standard aura environ 10 nH d'inductance parasite. Un front montant rapide dans le signal PWM avec un courant ON de quelques ampères peut induire une pointe de plusieurs volts. Avec le temps, cela sollicite les composants et conduit à la défaillance du SMPS.

Avec une fréquence de commutation plus élevée et des taux de montée PWM plus rapides, vous pouvez utiliser des composants plus petits que cet inducteur et ces condensateurs.

Surmonter ce défi peut être difficile car cela nécessite d'extraire les parasitiques dans le circuit SMPS. La stratégie typique lors de la conception de l'un de ces circuits consiste à effectuer des simulations à partir de votre schéma pour vérifier la fonctionnalité, suivies de tests une fois que vous avez produit un prototype. Espérons qu'avec les directives décrites ici, vous pourrez réduire le nombre de prototypes nécessaires pour obtenir un dispositif fonctionnel.

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